一種鋁矽電子封裝材料及其製備方法
2023-08-10 14:10:36
專利名稱：一種鋁矽電子封裝材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種電子封裝材料，尤其是涉及一種鋁矽電子封裝材料及其製備方法。背景技術：
背景技術：
中，矽晶片的熱膨脹係數只有4X10_6/K，隨著晶片集成度的不斷提高，要求 電子封裝材料具有高熱導率和低的熱膨脹係數，傳統的封裝材料難以滿足這些要求。第一 代封裝材料金屬鋁和銅的熱膨脹係數高達17Χ10—7Κ以上，可伐合金和鐵鎳合金的熱導率 只有17W/mK ；第二代封裝材料鎢銅的密度太大，而且熱膨脹係數只有7Χ10_6/Κ。鋁矽電子 封裝材料具有熱膨脹係數小、熱導率高、密度小、易加工等特點，因此在尺寸精度要求高的 電子封裝領域具有較好的應用前景。國內外目前採用噴射沉積、粉末冶金、擠壓鑄造等方法 製備鋁矽電子封裝材料，這些方法存在明顯不足一是矽的體積分數一般小於70%，因此熱 膨脹係數較高，與晶片不夠匹配；二是製備過程均採用了高壓，因此難以近淨成形，零件需 要後續大量機加工；三是後續緻密化工藝複雜、成本高。另外，現有鋁矽電子封裝材料熱膨 脹係數可調範圍小、難以近淨成形以及成本高。
發明內容
本發明為了解決上述背景技術中的不足之處，提供一種鋁矽電子封裝材料及其製備方 法，其體積分數在40% 90%之間任意調節，熱膨脹係數可在4X IO-6A 13 X 10_6/K之間控 制，製備成本低，工藝方便，能實現複雜形狀和大尺寸的近淨成形，綜合性能好，可靠性高。為實現上述目的，本發明採用的技術方案為
一種鋁矽電子封裝材料，其特徵在於所述封裝材料按體積百分比由矽粗粉0 50%、 矽細粉10 50%、矽微粉10 50%、金屬鋁元素8 57%、金屬矽元素1. 9 2. 7%和金屬 鎂元素0. 1 0. 3%組成；所述矽粗粉、矽細粉和矽微粉的粒徑分別為120 200 μ m、30 50 μ m 禾口 6 12 μ m。上述封裝材料按體積百分比由矽粗粉45 48%，矽細粉20 25%，矽微粉10 15%，金屬鋁元素10 22%，金屬矽元素1. 9 2. 7%和金屬鎂元素0. 1 0. 3%組成；所述 矽粗粉、矽細粉和矽微粉的粒徑分別為120 200 μ m、30 50 μ m和6 12 μ m。一種鋁矽電子封裝材料的製備方法，其特徵在於包括以下步驟
a、按配比要求準確稱量矽粗粉、矽細粉和矽微粉，裝入混料機中混合6 8小時；
b、再加入添加劑在低壓注射成型法成型，經排蠟和燒結後制出多孔矽預製型，燒結溫 度不超過1100°C ；
C、按配比將金屬鋁、金屬矽和金屬鎂熔化成合金，在真空和氣體壓力下使液態合金浸 滲入多孔矽預製型，凝固後打開模具形成近淨成形的鋁矽電子封裝材料，其矽的體積分數 在40% 90%之間任意調節，熱膨脹係數可在4X 10—7K 13X 10—7K之間控制。上述添加劑佔原料的體積百分比為石蠟9 53%，油酸1 5%。上述排蠟和燒結工藝為排蠟升溫速率2°C /min 3°C /min,排蠟溫度100°C 120°C，保溫時間MO min，燒結升溫速率3°C /min 5°C /min，在燒結溫度1000 1100°C 燒結2 4小時，冷卻速率為10°C /min 20°C /min ；與現有技術相比，本發明具有的優點和效果如下
本發明突出的特點是將矽的體積分數在40% 90%之間任意調節，因此熱膨脹係數可 在4Χ10_6/Κ 13X10_6/K之間控制，熱導率、彈性模量等性能也可根據需要進行調控；金 屬鋁、金屬矽和金屬鎂元素可以進行合理搭配，改善了材料的力學性能。採用模具一次性成 型，因此實現了零件的近淨成形。由於抽真空和加壓浸滲一次性完成，材料緻密性高，因此 不需要複雜的後續緻密化加工。由於所用壓力不超過3MPa，小於現有各種方法的十分之一， 因此可以採用多種模具，實現複雜形狀零件的近淨成形。由於這種鋁矽電子封裝材料的熱 膨脹係數等性能可在大範圍調節，而且零件可以實現近淨成形，因此可以廣泛用於微電子 封裝、功率電子封裝、微波封裝、光電子封裝等領域，具有很好的社會和經濟效益。具體實施例方式
本發明為一種鋁矽電子封裝材料及其製備方法，按體積百分比由矽粗粉0 50%、矽細 粉10 50%、矽微粉10 50%、金屬鋁元素8 57%、金屬矽元素1. 9 2. 7%和金屬鎂元素 0. 1 0. 3%組成；所述矽粗粉、矽細粉和矽微粉的粒徑分別為120 200 μ m、30 50 μ m和 6 12 μ m0本發明較佳的一種技術方案為按體積百分比由矽粗粉45 48%，矽細粉20 25%，矽微粉10 15%，金屬鋁元素10 22%，金屬矽元素1. 9 2. 7%和金屬鎂元素0. 1 0. 3%組成；所述矽粗粉、矽細粉和矽微粉的粒徑分別為120 200 μ m、30 50 μ m和6 12 μ m。
本發明的製備方法包括以下步驟
將矽粗粉、矽細粉和矽微粉裝入混料機中混合6 8小時；再加入添加劑在3MPa低壓 注射成型壓力下成型，低壓注射成型時所加添加劑佔原料的質量比為石蠟9 53%，油酸 1 5% ；隨後對成型體進行排蠟和燒結，排蠟和燒結工藝為排蠟升溫速率2°C /min ；TC / min,排蠟溫度100°C 120°C，保溫時間MO min，燒結升溫速率3°C /min 5°C /min，在 燒結溫度1000 1100°C燒結2 4小時，冷卻速率為10°C /min 20°C /min ；將上述製成 的矽預製型放入氣壓浸滲爐中的模具中預熱到700°C，抽真空到0. 07MPa，在2. 0 3. OMPa 氣體壓力下將800°C的鋁合金液浸滲入矽預製型中，凝固後打開模具，形成近淨成形的鋁矽 電子封裝材料，其矽的體積分數在40% 90%之間任意調節，熱膨脹係數可在4X 10_6/K 13Χ10—7Κ之間控制。矽粗粉、矽細粉與矽微粉都是高純矽。金屬鋁、金屬矽和金屬鎂都是工業級金屬
Iio對原材料的化學成分要求如下
材料名稱指標
矽粗粉Si ^ 99%
矽細粉Si彡99%
矽微粉Si ^ 99%
金屬鋁Al彡99. 7%
金屬矽Si彡99. 9%
金屬鎂Mg彡99. 9%
4實施例1
將粒徑為30 50 μ m的矽細粉和6 12 μ m的矽微粉按體積比25%和25%裝入混料機 中混合6 8小時；再加入添加劑在3MPa低壓注射成型壓力下成型，低壓注射成型時所加 添加劑佔原料的質量比為石蠟46%，油酸4% ；隨後對成型體進行排蠟和燒結，排蠟和燒結工 藝為排蠟升溫速率2°C /min 3°C /min,排蠟溫度100°C 120°C，保溫時間MO min，燒 結升溫速率3°C /min 5°C /min，在燒結溫度1000 1100°C燒結2 4小時，冷卻速率為 IO0C /min 20°C /min ；將上述製成的矽預製型放入氣壓浸滲爐中的模具中預熱到700°C， 抽真空到0. 07MPa，在2. OMI3a氣體壓力下將800°C的鋁合金液浸滲入矽預製型中，凝固後打 開模具，形成近淨成形的鋁矽電子封裝材料(電子封裝材料按體積比由矽細粉25%、矽微粉 25%、金屬鋁元素47%、金屬矽元素2. 7%和金屬鎂元素0. 3%組成)，其矽的體積分數為50%， 室溫到150°C的熱膨脹係數為11X10_6/K。實施例2:
將粒徑為30 50 μ m的矽細粉和6 12 μ m的矽微粉按體積比40%和20%裝入混料機 中混合6 8小時；再加入添加劑在3MPa低壓注射成型壓力下成型，低壓注射成型時所加 添加劑佔原料的質量比為石蠟37%，油酸3% ；隨後對成型體進行排蠟和燒結，排蠟和燒結工 藝為排蠟升溫速率2V /min 3°C /min,排蠟溫度100°C 120°C，保溫時間MO min，燒 結升溫速率3°C /min 5°C /min，在燒結溫度1000 1100°C燒結2 4小時，冷卻速率為 IO0C /min 20°C /min ；將上述製成的矽預製型放入氣壓浸滲爐中的模具中預熱到700°C， 抽真空到0. 07MPa，在2. 5ΜΙ^氣體壓力下將800°C的鋁合金液浸滲入矽預製型中，凝固後打 開模具，形成近淨成形的鋁矽電子封裝材料(電子封裝材料按體積比由矽細粉40%、矽微粉 20%、金屬鋁元素37. 5%、金屬矽元素2. 3%和金屬鎂元素0.洲組成)，其矽的體積分數為60%， 室溫到150°C的熱膨脹係數為9X10_6/K。實施例3:
將粒徑為120 200 μ m的矽粗粉、30 50 μ m的矽細粉和6 12 μ m的矽微粉按體積 比45%、23%和1 裝入混料機中混合6 8小時；再加入添加劑在3ΜΙ^低壓注射成型壓力 下成型，低壓注射成型時所加添加劑佔原料的質量比為石蠟18%，油酸洲；隨後對成型體進 行排蠟和燒結，排蠟和燒結工藝為排蠟升溫速率2V Mn 3°C /min,排蠟溫度100°C 120°C，保溫時間MO min，燒結升溫速率3°C /min 5°C /min，在燒結溫度1000 1100°C 燒結2 4小時，冷卻速率為10°C /min 20°C /min ；將上述製成的矽預製型放入氣壓浸 滲爐中的模具中預熱到700°C，抽真空到0. 07MPa，在3MPa氣體壓力下將800°C的鋁合金液 浸滲入矽預製型中，凝固後打開模具，形成近淨成形的鋁矽電子封裝材料(電子封裝材料按 體積比由矽粗粉45%、矽細粉23%、矽微粉12%、金屬鋁元素18%、金屬矽元素1. 9%和金屬鎂 元素0. 1%組成)，其矽的體積分數為80%，室溫到150°C的熱膨脹係數為5X10_6/K。
權利要求
1.一種鋁矽電子封裝材料，其特徵在於所述封裝材料按體積百分比由矽粗粉O 50%、矽細粉10 50%、矽微粉10 50%、金屬鋁元素8 57%、金屬矽元素1. 9 2. 7%和 金屬鎂元素0. 1 0. 3%組成；所述矽粗粉、矽細粉和矽微粉的粒徑分別為120 200 μ m、 30 50 μ m 禾口 6 12 μ m。
2.根據權利要求1所述的一種鋁矽電子封裝材料，其特徵在於所述封裝材料按體積 百分比由矽粗粉45 48%，矽細粉20 25%，矽微粉10 15%，金屬鋁元素10 22%，金屬 矽元素1. 9 2. 7%和金屬鎂元素0. 1 0. 3%組成；所述矽粗粉、矽細粉和矽微粉的粒徑分 別為 120 200 μ m、30 50 μ m 禾口 6 12 μ m。
3.根據權利要求1所述的一種鋁矽電子封裝材料的製備方法，其特徵在於包括以下步驟a、按配比要求準確稱量矽粗粉、矽細粉和矽微粉，裝入混料機中混合6 8小時；b、再加入添加劑在低壓注射成型法成型，經排蠟和燒結後制出多孔矽預製型，燒結溫 度不超過1100°C ；C、按配比將金屬鋁、金屬矽和金屬鎂熔化成合金，在真空和氣體壓力下使液態合金浸 滲入多孔矽預製型，凝固後打開模具形成近淨成形的鋁矽電子封裝材料，其矽的體積分數 在40% 90%之間任意調節，熱膨脹係數在4X 10—7K 13X 10—7K之間控制。
4.根據權利要求3所述的一種鋁矽電子封裝材料的製備方法，其特徵在於所述添加 劑佔原料的體積百分比為石蠟9 53%，油酸1 5%。
5.根據權利要求3所述的一種鋁矽電子封裝材料的製備方法，其特徵在於排蠟和燒 結工藝為排蠟升溫速率2°C/min 3°C/min，排蠟溫度100°C 120°C，保溫時間240 min, 燒結升溫速率3°C /min 5°C /min，在燒結溫度1000 1100°C燒結2 4小時，冷卻速率 為 10°C /min 20°C /min。
全文摘要
本發明涉及一種電子封裝材料，尤其是涉及一種鋁矽電子封裝材料及其製備方法。本發明體積分數在40%～90%之間任意調節，熱膨脹係數可在4×10-6/K～13×10-6/K之間控制，製備成本低，工藝方便，能實現複雜形狀和大尺寸的近淨成形，綜合性能好，可靠性高。本發明採用的技術方案為所述封裝材料按體積百分比由矽粗粉0～50%、矽細粉10～50%、矽微粉10～50%、金屬鋁元素8～57%、金屬矽元素1.9～2.7%和金屬鎂元素0.1～0.3%組成；所述矽粗粉、矽細粉和矽微粉的粒徑分別為120～200μm、30～50μm和6～12μm。
文檔編號C22C1/05GK102140600SQ20111006227
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月16日 優先權日2011年3月16日
發明者葉建寧, 馬俊立 申請人:西安明科微電子材料有限公司